“Полевые транзисторы”часть 2

МДП – транзистор как элемент памяти
Рассмотрим RC‑цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления Rн ≈ 1 МОм и полевого транзистора с изолированным затвором, приведенную на рисунках а, б.
Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни Oм, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к нулю.
Если МДП-транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р‑n перехода при обратном включении), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит.
Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор – МДП-транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица.
МДП‑транзистор в качестве элемента запоминающего устройства
а) открытое состояние;
б) закрытое состояние

Мноп – транзистор (структура)
В структурах типа металл-нитрит-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором - двухслойный: в качестве первого диэлектрика используется туннельно-прозрачный слой (dox < 50 A) SiO2 , в качестве второго диэлектрика используется толстый (d ≈ 1000 A) слой Si3N4 .
Нитрид кремния Si3N4 имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной ε Si3N4 в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO2.

Физические процессы в МНОП ПТ
При подаче импульса положительного напряжения +Vgs (+28 − 30B) на затвор вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид.
Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. Высокая эффективность захвата электронов связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 10-19 куб.см.). Этот заряд может несколько лет хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.
а) напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены
б) запись информационного заряда;
в) стирание информационного заряда
При подаче импульса отрицательного напряжения -Vgs (−28 − 30B) на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП-структуры снова имеет первоначальный вид и инверсионный канал исчезает

Анимация работы МНОП транзистора

Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 105.
Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:
- ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;
- подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему.

МОП-Транзистор с плавающим затвором
Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы и устройству похож на МНОП‑транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными диэлектрическими слоями.
Схема, поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором, приведена на рисунке
В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором.

Физические процессы в МОП ПТ
с плавающим затвором
На рисунке a приведена зонная диаграмма такого транзистора.
Рисунок б поясняет механизм записи информационного заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на плавающий затвор.
На рисунке в приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором после записи заряда и снятия напряжения с затвора. Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.

Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопленияинжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда Qox(τ) равна:
где I(t) – величала инжекционного тока в момент времени t.
Как видно из зонной диаграммы, инжекция носителей из полупроводника через первый слой окисла на плавающий затвор осуществляется путем прямого туннелирования через трапецеидальный барьер. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением:
Постоянные величины А и В, входящие в уравнение, зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе.
Накапливаемый на плавающем затворе инжектированный заряд Q(τ) будет вызывать уменьшение напряженности электрического поля Еоx в первом диэлектрике. Величина электрического поля Еох, обуславливающая туннелирование, равна:
Из последних трёх уравнений следует, что при малых временах τ наполненный заряд Q(τ) мал и линейно возрастает со временем τ, поскольку поле в окисле Еох и туннельный ток I(t) постоянны. При больших временах наступает насыщение наполнения инжектированного заряда Q(τ). Последние три соотношения позволяют на основе расчета выбрать наиболее оптимальные режимы записи и стирания информационного заряда.

Полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода
Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р‑n перехода. На рисунке показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями р‑n переходов – каналом, а сильно легированные n+ области сверху и снизу – затвором полевого транзистора.
При приложении напряжения V gs к затвору ПТ, обеспечивающего
обратное смещение р‑n перехода (Vgs > 0), происходит расширение обедненной области р‑n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N d >> N a). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток‑сток Vds вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения Vds необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р‑n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению Vgs. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

По мере роста напряжения исток‑сток Vds точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдаются независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Зависимость тока стока Ids в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде р‑n перехода: выражается следующей формулой:
В области отсечки выражение хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:
На рисунках а, б показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р‑n перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе Vg = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.
Вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р‑n

Быстродействие ПТ с затвором в виде р‑n перехода
Быстродействие ПТ с затвором в виде р‑n переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей СG затворных р‑n переходов через сопротивление канала RK. Величина времени заряда T= СG*RK . Емкость затвора СG и сопротивление канала RK равны:
Выражение имеет минимальное значение при ширине обедненной области , при этом граничная частота
При значениях H = L для кремния (ε s = 11,8) с удельным сопротивлением ρ, равным ρ = 1 Ом·см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.

Микроминиатюризация МДП‑приборов
Полевые приборы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП‑приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями.
Минимальная задержка вентиля